Ultraschallsysteme | Umweltbundesamt

Ultraschallsystemen als Bewuchsschutztechnik an der Ostseeküste

Die reinigende Wirkung von Ultraschallanlagen beruht auf der Induktion von Kavitation. Die Wirkung wird durch die Erzeugung von Mikrobläschen erreicht, die entstehen wenn ein ausreichend hoher, negativer Druck auf eine Flüssigkeit ausgeübt wird. Kompressions- und Dekompressions-Wellen durchlaufen sehr schnell die Flüssigkeit. Sind die Wellen ausreichend stark, können sie die Anziehungskräfte in den vorhandenen Molekülen aufbrechen und Gasblasen erzeugen. Entsprechend der „hot-spot-theory“ erzeugt der Zusammenbruch der Gasblasen einen raschen und extremen Anstieg der Temperaturen bis zu 4000 C° und einen hohen Druckanstieg, welche beide die Erzeugung freier Radikale mit starken oxidativen Eigenschaften hervorruft.

Der Einsatz und der Nutzen von Ultraschallsystemen als Bewuchsschutztechnik sind bisher nach wie vor umstritten. Sogar zwischen den Firmen, die diese Systeme anbieten, ist die Wirkungsweise uneinheitlich. Einige Firmen erklären die Wirkungsweise durch die Erzeugung von Kavitation, während andere Anbieter genau dieses vermeiden wollen, da die Kavitation Schäden am Rumpf hervorrufen könnte [4]. Aktuell sind ca. 10 Anbieter von Ultraschallsystemen auf dem deutschen und europäischen Markt präsent. Eine genaue Beschreibung der Wirkungsweise, eingesetzte Frequenzen, Energie etc. unterbleiben in der Regel.

Inzwischen ist bekannt, dass die reinigende Wirkung von Ultraschallanlagen auf der Induktion von Kavitation beruht. Die Wirkung wird durch die Erzeugung von Mikrobläschen erreicht, die entstehen wenn ein ausreichend hoher, negativer Druck auf eine Flüssigkeit ausgeübt wird. Kompressions- und Dekompressions-Wellen durchlaufen sehr schnell die Flüssigkeit. Sind die Wellen ausreichend stark, können sie die Anziehungskräfte in den vorhandenen Molekülen aufbrechen und Gasblasen erzeugen. Wenn eine Ultraschallenergie eine Flüssigkeit durchströmt, vergrößern sich die erzeugten Gasblasen bis zu einer bestimmten kritischen Größe, ab der sie zusammenbrechen, implodieren. Die daraus folgende Schockenergie erzeugt die sono-chemischen Reaktionen [10]. Entsprechend der „hot-spot-theory“ erzeugt der Zusammenbruch der Gasblasen einen raschen und extremen Anstieg der Temperaturen bis zu 4000 C° und einen hohen Druckanstieg, welche beide die Erzeugung freier Radikale mit starken oxidativen Eigenschaften hervorruft. So sollen bei niedrigen Frequenzen die physikalischen Phänomene und bei hohen Frequenzen die chemischen Phänomene vorherrschen [8].

Als Teilaufgabe innerhalb des EU-Forschungsprojekts CHANGE [11] wurden verschiedene Versuche mit biozidfreie Bewuchsschutzsysteme durchgeführt. An der deutschen Ostsee Küste wurden versuchen mit Ultraschallsystemen durchgeführt. Für die Versuche mit Ultraschallsystemen wurden insgesamt 4 Boote untersucht. Zwei Boote waren zuvor mit einer biozidfreien, reinigungsfähigen Hartbeschichtung versehen worden, die beiden anderen Boote hatten immer ihre vorherige Antifouling behalten, sodass jeweils geprüft wurde, wieweit die Biozid-Antifouling noch aktiv war. Hierzu wurden bei jeder Inspektion Farbpartikel entfernt und der biozidgehalt in einem zertifizierten Labor bestimmt.

Beispiel: Kiel-Schilksee

Installation

Das erste System wurde auf einer Hallberg Rassy 38 (Länge: 11,57 m, Breite: 3,48 m, Tiefgang: 1,75 m) mit einem GfK-Rumpf zusammen mit einer nichttoxischen Rumpfbeschichtung installiert. Der Liegeplatz des Bootes war Kiel Schilksee und das Boot operierte in der Kieler Förde und dem südfünischen Inselreich. Im April 2014 wurde die vorhandene Antifouling-Beschichtung bis auf den Gelcoat herunter geschliffen und die neue Hartbeschichtung mit einem Haftvermittler aufgebracht. Die Installation des Ultraschallsystems erfolgte parallel. Vier Überträger wurden im Rumpf verklebt, zwei im Bugbereich und zwei im Heckbereich jeweils an Steuerbord und Backbord.

Ergebnisse

Die erste Inspektion fand in der “Schiffswerft Laboe”, Kiel Laboe im Juni 2014 statt.

Nach dem Zuwasserlassen wurde das Boot in der westlichen und südlichen Ostsee bewegt, drei Wochenenden auf der Schlei und der südlichen dänischen Küste. Bei der ersten Inspektion war eine üppige Bewuchsgemeinschaft auf dem Rumpf vorhanden:

• Zahlreiche Brackwasser-Seepocken (Amphibalanus improvisus) mit Basalplatten mit Durch-messern von 1 – 20 mm in einem Bedeckungsgrad von 20 %

• Moostierchen-Kolonien: Krusten-Seerinde (Electra crustulenta) mit Durchmessern von 10 – 30 mm und einem Bedeckungsgrad von 15 %

• Grünalgen: Darmtang (Enteromorpha spec.) mit Fadenlängen von 10 – 20 mm und einem Bedeckungsgrad von 5 %

• Nesseltiere: Zypressenmoos (Sertularia cupressina) mit Kolonien von 20 – 30 mm und einem Bedeckungsgrad von 5 %

• Einzelne Miesmuscheln (Mytilus edulis) mit Schalenlängen von 1 – 3 mm

• Braunalgen: Felsenfaseralge (Ectocarpus siliculosus)

• Rotalgen: Roter Horntang (Ceramium rubrum)

• Insektenlarven und Schalenamöben

Die Verteilung der Bewuchsorganismen auf dem Rumpf war sehr heterogen mit einer Dominanz der Algen am Wasserpass. Ca. 50 cm unterhalb der Wasserlinie dominierten Moostierchen und Nesseltiere, welches durch den hydrophoben Charakter der Beschichtung beeinflusst war. In den tieferen Bereichen bis zum Kiel befanden sich vereinzelt Seepocken.

Nach der Erstinspektion entschloss sich der Eigner, den Rumpf mit einem Hochdruckreiniger mit 300 bar zu reinigen. Die Beschichtung blieb intakt, aber die Seepocken mussten mit einem Schwamm entfernt werden.

Kurz nach dieser Inspektion entschied sich der Eigner aufgrund der mangelnden Effektivität des Ultraschallsystems wieder ein biozidhaltiges Antifouling aufzutragen.

Beispiel: Kappeln

Installation

Dieser Versuch fand auf einem Segelboot, Typ Hanse 350, Baujahr 2007 (Länge 10,59 m, Breite 3,55 m, Tiefgang 1,85 m) statt. Das Rumpfmaterial bestand aus GfK. 2014 wurde dieses Segelboot mit einem Ultraschallsystem ausgerüstet und parallel mit einer nichttoxischen Hartbeschichtung versehen, nachdem die vorhandene Antifouling-Beschichtung bis auf den Gelcoat herunter geschliffen worden war. Der Liegeplatz des Bootes lag in der Schlei und es wurde die gesamte südliche Ostsee befahren.

Als Bewuchsschutz wurde im Juli ein Ultraschallsystem mit vier Überträgern im Inneren des Rumpfs installiert.

Die Überträger wurden auf der Innenseite des Rumpfes verklebt und mit einer Steuerungseinheit verbunden. Die Wirkung des Systems sollte auf der Erzeugung unterschiedlicher Frequenzen und hiermit hervorgerufener Kavitation beruhen. Der optimale Funktionsmodus wird von der Installationsfirma für jedes Boot spezifisch festgelegt, um zu erreichen, dass die Überträger optimal arbeiten. Das System ist nur im Hafen aktiv und schaltet sich bei Fahrt automatisch ab, um den Stromverbrauch zu minimieren. Wenn die Überträger aktiviert werden, liegt die Stromstärke maximal bei 0,8 A und unter Inaktivierung bei 0,02 A, die Spannung kann zwischen 12 und 24 V variieren.

Ergebnisse

Von Juli bis August arbeitete das System nicht optimal, vermutlich durch einen nicht-passenden Klebstoff. Daher wurde das Boot im August aus dem Wasser genommen und inspiziert. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte sich ein bräunlicher Biofilm gebildet, der mit Schwamm und Wasser leicht abzuwischen war.

Nach der Neufixierung der Überträger wurde das Boot wieder zu Wasser gelassen und segelte überwiegend in den südlichen dänischen Gewässern (Großer und Kleiner Belt).

Die zweite Inspektion fand im Oktober 2014 in Schleswig an der Schlei statt. Das Boot wurde direkt nach dem Auswassern inspiziert. Neben einem dichten Biofilm waren folgende Makrofouling-Organismen vorhanden:

• Brackwasser-Seepocken (Amphibalanus improvisus) mit einem Bedeckungsgrad von 5% und einem durchschnittlichen Durchmesser der Basalplatte von 20 mm

• Brackwasserpolypen (Cordylophora caspia), die hauptsächlich am Heck zu finden waren mit einem Bedeckungsgrad von 3% und Kolonielängen von 30 – 60 mm

• Moostierchen (Electra crustulenta) in einer unregelmäßigen Verteilung auf dem Rumpf mit einem Bedeckungsgrad von 7% und Koloniedurchmessern von 20 – 40 mm

Die dritte Inspektion fand Ende Oktober ein Jahr später im Hafen von Kappeln an der Schlei statt. Am Ende dieser Saison war der Rumpf dicht mit Seepocken und Algen bewachsen. Trotz des starken Bewuchses war die Reinigung des Rumpfes relativ leicht und zufriedenstellend, dank der reinigungs-fähigen Hartbeschichtung, zu bewerkstelligen. Der Bootseigner hatte aber eine wesentlich bessere Effektivität des Ultraschallsystems als Bewuchsschutz erwartet. Ebenfalls am Ender Saison 2016 war das Boot wieder stark bewachsen und der Eigner legte keinen Wert mehr auf eine Inspektion.

Beispiel: Kiel-Laboe

Im Oktober 2015 wurde ein weiteres Segelboot mit einem Ultraschallsystem inspiziert. Es war eine Sun Odyssey 409 (Länge 12,34 m, Breite 3,99 m, Tiefgang 2,10 m). Das Boot wurde im Hafen seines Liegeplatzes Marina Laboe in der Kieler Förde inspiziert. In der Saison 2015 war das Schiff einmal für 3 Wochen im Sommer bewegt worden. Seit 2011 war das Boot mit einem Ultraschallsystem mit 4 Überträgern ausgerüstet worden. Der Rumpf ebenfalls in 2011 zuletzt mit einer Kupfer-Antifouling beschichtet worden. Bei der Inspektion im Oktober wies der Rumpf entlang der Wasserline zahlreiche Brackwasser-Seepocken (Amphibalanus improvisus) sowie einzelne Manteltiere auf.

Nach der Reinigung mit einem Hochdruckreiniger war der Rumpf frei von Bewuchs bis auf zahlreiche Basalplatten von Seepocken entlang der Wasserlinie.

Die chemische Analyse der Antifoulingbeschichtung ergab eine Kupferkonzentration von 9,4%, was bis auf den Wasserpass für einen ausreichenden Bewuchsschutz gesorgt hätte.

Beispiel: Greifswald

Dieses Segelboot vom Typ Hanse 445 (Länge 13,40 m, Breite 4,38 m, Tiefgang 2,25 m) hatte seinen Liegeplatz in Greifswald am Ryck. Das Boot lag von April bis November im Wasser und befuhr die Gewässer rund um Rügen, Bornholm und die polnische Küste. Das Ultraschallsystem wurde 2013 installiert, wobei die vorhandene Antifouling-Beschichtung nicht erneuert wurde, die seit 2012 auf dem Boot war. Eine chemische Analyse der Antifouling-Beschichtung ergab einen Gehalt von 60% Kupfer in der Trockenschicht. Dies bedeutete, dass die biozidhaltige Antifouling-Beschichtung noch effektiv war.

Ergebnisse

Das Boot wurde im Oktober 2015 aus dem Wasser genommen und inspiziert. Der Rumpf war von einem dichten Biofilm entlang der Wasserlinie bedeck und einem dünneren Biofilm in den unteren Bereichen des Rumpfes. Im Gegensatz zum Rumpf war der unbeschichtete Sail Drive stark mit Seepocken bewachsen, welches einen hohen Bewuchsdruck am Liegeplatz andeutete.

Nach einer Reinigung mit dem Hochdruckreiniger war der Rumpf völlig frei von Bewuchs.

Die zweite Inspektion des Bootes fand im Dezember 2016 statt. Bei dieser Inspektion zeigte sich, dass der Rumpf zuvor gereinigt worden und verschieden Bereiche des Rumpfes (Kiel, Wasserlinie und Ruder) mit einer Kupferantifouling überschichtet worden waren. Eine chemische Analyse des Kupfergehaltes des Rest-Antifoulings zeigte eine Kupferkonzentration von 26% in der Trockenschicht.

Das Boot hatte in der Saison 2016 die Gewässer der südöstlichen Ostsee befahren. Aber offenbar wollte der Eigner nicht mehr allein dem Bewuchsschutz durch das Ultraschallsystem vertrauen und hatte daher die bewachsenen Bereiche mit einer Biozid-Antifouling überarbeitet. Das System war offensichtlich nicht effektiv.

Fazit

Der Einsatz von Ultraschallsystemen wurde schon sehr früh durch Beobachtungen an Sonaren erwogen, in deren Umfeld zum Beispiel auf U-Booten weniger Bewuchs zu finden war [2]. Laborexperimente bestätigten dann später einen schädigenden Effekt auf Seepocken-Larven [3], was zahlreiche Firmen dazu veranlasste, Ultraschallsysteme als Bewuchsschutztechnik auf den Markt zu bringen. Doch die Nebeneffekte des Einsatzes von Ultraschall, insbesondere die Schädigungen von Nicht-Ziel-Organismen und die induzierten chemischen Reaktionen, ließen Bedenken über die Umweltfreundlichkeit dieses Verfahrens aufkommen [5]. Leider existiert sehr wenig Literatur über die Effekte und Nebeneffekte von Ultraschallsystemen als Bewuchsschutztechnik. Im Gegensatz dazu findet sich zahlreiche Literatur über den Einsatz von Ultraschall in Sonaren, bei Unterwasser-Energie-Gewinnungsanlagen, Kühlsystemen und in der Marikultur, welche Hinweise auf direkte und indirekte Effekte liefern. Ultraschall in der Form von Kavitation wird inzwischen zur Reinigung von Schiffsrümpfen, Propellern und Nischenbereichen eingesetzt [9].

Abgesehen von einigen wissenschaftlich fundierten Untersuchungen zur lokal begrenzten Entfernung von Biofilmen auf Antihaftbeschichtungen bleibt es relativ unklar, wie Ultraschallsysteme ganze Bootsrümpfe von Bewuchs freihalten können. Denn es gibt eine Reihe von populärwissenschaftlichen Publikationen, die zeigen, dass Ultraschallsysteme zur Bewuchsverhinderung alleine nicht ausreichen, sondern nur in Verbindung mit biozidhaltigen Antifouling-Beschichtungen eine ausreichende Wirksamkeit zeigen. Hierbei blieb offen, welche Verfahren wirksam waren [1, 7, 6].

Referenzen

1. Doane, C. (2012): DIY: Testing Ultrasonic antifouling. Sail, 5.

2. Fitzgerald, J.W., Davis, M.S., Murdle, B.G. (1947): Corrosion and fouling on sonar equipment. ONR, NRL, rep. 2477.

3. Guo, S.F., Lee, H.P., Chaw, K.C., Miklas, J., Teo, S.L., Dickinson, C.L., Birch, W.R., Khooa, B.C. (2011): Effect of ultrasound on cyprids and juvenile barnacles. Biofouling, 27, 185–192.

4. Kelling, J. (2017): Ultrasound-based antifouling solutions. Bertram V. (ed.) HULLPIC 2017 Ulrichshusen, 44-49.

5. LaLiberte, G., Haber, E. (2014): Literature review of the effects of ultrasonic waves on cyanobacteria, other aquatic organisms, and water quality. Wisconsin Department of Natural Resources.

6. Lind, B.L. (2017): Sonic vibrations. Passagemaker, 5.

7. Moran, W. (2016): Ultrasonic anti-fouling. Cruising World, 10, 1 – 2.

8. Naddeo V., Cesaro A., Mantzavinos D., Fatta-Kassinos D. and Belgiorno V. (2014): Water and wastewater disinfection by ultrasound irradiation - a critical review, Global NEST Journal, 16(3), 561-577.

9. Nordseetaucher (2017): Umweltschonende Reinigung von Schiffskörpern. Schiff & Hafen, 1, 17.

10. Salta, M., Goodes, L.R., Maas, B.J., Dennington, S.P., Secker, T.J., Leighton, T.G. (2016): Bubbles versus biofilms: a vovel method for the removal of marine biofilms attached on antifouling coatings using ultrasonically activated water stream. Surf. Topogr. Metrol. Prop. 4, 1 – 10.

11. Strand, H., Solér, C., Dahlström, M. Changing leisure boat antifouling practices in the Baltic Sea. Results from the BONUS CHANGE project. (2017). BONUS CHANGE Project.